一种淀粉基工业废渣复合材料硅酸盐水泥缓凝剂

技术领域

本发明涉及建筑材料领域，具体涉及一种淀粉基工业废渣复合材料硅酸盐水泥缓凝剂。

背景技术

凝结时间是水泥重要的物理指标之一，对混凝土的施工和成型质量有重要意义，对大体积混凝土施工而言，凝结时间对水泥混凝土浇筑的质量至关重要，延迟初凝时间还可以有效降低因水化热导致的混凝土内部温度升高而产生的温度裂缝；对于工艺较繁杂，施工时间较长的混凝土工程，延长水泥的终凝时间，还可以防止在各项工序完成前混凝土的硬化，以此来保障混凝土的施工质量；对于长距离或在交通拥堵的条件下，向施工现场运送商品混凝土时，延迟水泥的凝结时间，可以保证浇筑时混凝土的品质。

在相同水胶比的条件下，调整凝结时间的方法主要有三类，一是调整生产熟料的矿物组成；二是调整胶凝材料的细度；三是调整外加剂的种类。

目前水泥缓凝剂常用的主要包括：木质素磺盐酸及其衍生物；磺化丹宁、磺化栲胶、丹宁酸钠；纤维素及其衍生物；羟基羟酸及其盐类；硼酸、磷酸、锌和铅的氧化物等无机化合物等等。现有的各种有机或无机类外加剂基本均存在生产配置不便利、生产有环境污染和价格高昂等问题，由于采用化学原理，各类缓凝剂可能与水泥及减水剂存在适应性问题。近年来也有采用改性淀粉、蔗糖或糖钙作为缓凝剂的研究，这些糖类缓凝剂本质上仍属羟基羟酸类缓凝剂，其原理为经过Lewis理论形成络合物的化学反应。另一方面，现有的缓凝剂一般对水泥的抗渗透性无优化作用。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种新的硅酸盐水泥缓凝剂，所述硅酸盐水泥缓凝剂是基于淀粉剂材料和工业废渣的复合材料，可以显著提高水泥的凝结时间和抗渗透性。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

一种淀粉基工业废渣复合材料硅酸盐水泥缓凝剂，包括溶液A和溶液B，所述溶液A包括粉剂A和水，所述溶液B包括粉剂B和水，所述粉剂A中淀粉含量在70-80wt.％；所述粉剂B为粉煤灰、粒化高炉矿渣、硅灰、石灰石粉、钢渣粉、磷渣粉、沸石粉中的一种或多种。

所述粉剂A中淀粉含量较高，主要通过糊化反应物理阻隔水泥与水的结合，从而起到缓凝作用，随着淀粉基材料由糊化到回生的相变过程不断释放自由水，使物理阻隔逐渐减少，自由水又继续与水泥发生水化反应，从而提高了水泥胶结体的后期强度和致密性；

所述粉剂B为非活性或少活性的工业废渣，主要利用其与水泥拌合后的工作性和填充作用，从而保证在粉剂A添加后不降低工作性，又起到填充毛细孔的效果，进而提高胶结体致密性。

优选的，所述粉剂A为糯米粉、玉米粉、绿豆淀粉、马铃薯粉中的一种或多种。

优选的，所述溶液A中，粉剂A与水的质量比例为1：(5-7)。

优选的，所述粉剂A的掺量为硅酸盐水泥的1-3wt.％，所述粉剂B的掺量为硅酸盐水泥的1-5wt.％。

优选的，所述粉剂A和所述粉剂B的总掺量为硅酸盐水泥的3-6wt.％。

本发明的另一目的在于提供一种前述淀粉基工业废渣复合材料硅酸盐水泥缓凝剂的应用方法，所述应用方法包括以下步骤：

S1、按重量份数，将1份的粉剂A溶解在5-7份水中，在80-100℃的温度条件下加热20-30min，得到溶液A，粉剂A的掺量为硅酸盐水泥的1～3wt.％；

S2、将X份粉剂B分散在X份水中，得到溶液B，粉剂B的掺量为硅酸盐水泥的1～5wt.％；将所述溶液B加热至60-80℃后，与所述溶液A混合，充分搅拌后制得溶液C，粉剂A与粉剂B的总掺量为(1+X)，为硅酸盐水泥的3～6wt.％；

S3、根据所述溶液C中的自由水含量，在所述溶液C中补充温度在60-80℃的水至需水量，制得溶液D，所述需水量由水泥浆设计水胶比确定；

S4、将硅酸盐水泥与所述溶液D拌和形成水泥浆；

所述溶液C中的自由水含量计算方法如下：

所述溶液C中的自由水含量W

所述溶液C的固含量Z

所述溶液A中的固含量Z

所述溶液B中的固含量Z

所述需水量W

所述溶液C中需要补充的水量W

优选的，所述硅酸盐水泥包括P·Ⅰ硅酸盐水泥、P·Ⅱ硅酸盐水泥、P·O普通硅酸盐水泥、P·S矿渣硅酸盐水泥、P·P火山灰质硅酸盐水泥、P·F粉煤灰硅酸盐水泥、P·C复合硅酸盐水泥中的一种或多种。

本发明的有益效果为：

(1)本发明通过复合淀粉基材料和工业废渣材料制备硅酸盐水泥缓凝剂，可单独作为一种混凝剂使用而不需添加其他化学类缓凝添加剂，可以显著提高水泥的凝结时间和抗渗透性。

(2)本发明所述硅酸盐水泥缓凝剂具有原料易获取、价格低廉、绿色环保等特点，且由于采用物理和化学的复合原理，与各类水泥及减水剂适应性强，同时不显著影响水泥早期抗压和抗折强度等力学性能，同时对水泥水化的主要产物生成量和后期强度发展无影响，还可以降低硬化水泥浆体的总孔隙率。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

一种缓凝水泥净浆，由P·O 42.5R普通硅酸盐水泥、缓凝剂和水组成，其中，所述缓凝剂掺量为普通硅酸盐水泥质量的6％(其中粉剂A占3％，粉剂B占3％)，所述普通硅酸盐水泥的矿物组成见表1，水泥净浆原材料配合比见表2；

表1普通硅酸盐水泥的矿物组成(wt.％)

所述水泥净浆的具体制备步骤如下：

S1、按质量份数，将48份粉剂A与288份水混合均匀，在80-100℃的条件下持续加热20～30min，形成溶液A；

S2、将48份粉剂B与48份水混合均匀形成溶液B，加热至60-80℃后与所述溶液A混合，充分搅拌形成溶液C；

S3、所述溶液C中的固含量为21.1％，其中溶液A固含量为12.7％，溶液B固含量为50.0％，故需将239.2份的水加热到60℃后，添加到所述溶液C中，搅拌均匀后制得溶液D；

S4、将1600份P·O 42.5R普通硅酸盐水泥加入到所述溶液D中，搅拌均匀形成水泥净浆。

本实施例的缓凝水泥净浆制备方法，可以将未掺加任何其他缓凝剂的水泥浆初凝时间由110min延长至250min，终凝时间由190min延长至375min，从而显著提高水泥的凝结时间，同时还可显著提高水泥的抗渗透性。添加本实施例组分缓凝剂后水泥胶结体3天抗折强度由5.40MPa降低至5.25MPa，28天抗折强度由10.15MPa降低至9.16MPa，可见早期抗折强度未明显降低；56天抗折强度由11.35MPa提高至11.39MPa，可见后期抗折强度无影响。添加本实施例组分缓凝剂后水泥胶结体3天抗压强度由24.30MPa降低至21.96MPa，28天抗压强度由62.78MPa降低至58.93MPa，可见早期抗压强度未明显降低；56天抗压强度由68.35MPa，提高至68.40MPa，后期抗压强度无影响。

实施例2

一种缓凝水泥净浆，由P·O 42.5R普通硅酸盐水泥、缓凝剂和水组成，其中，所述缓凝剂掺量为普通硅酸盐水泥质量的6％(其中粉剂A占2％，粉剂B占4％)，所述普通硅酸盐水泥的矿物组成见表1，水泥净浆原材料配合比见表2；

所述水泥净浆的具体制备步骤如下：

S1、按质量份数，将32份粉剂A与192份水混合均匀，在80-100℃的条件下持续加热20～30min，形成溶液A；

S2、将64份粉剂B与64份水混合均匀形成溶液B，加热至60-80℃后与所述溶液A混合，充分搅拌形成溶液C；

S3、所述溶液C中的固含量为26.2％，其中溶液A固含量为12.9％，溶液B固含量为49.6％，故需将320.2份的水加热到60℃后，添加到所述溶液C中，搅拌均匀后制得溶液D；

S4、将1600份P·O 42.5R普通硅酸盐水泥加入到所述溶液D中，搅拌均匀形成水泥净浆。

本实施例的缓凝水泥净浆制备方法，可以将未掺加任何其他缓凝剂的水泥浆初凝时间由110min延长至215min，终凝时间由190min延长至320min，从而显著提高水泥的凝结时间，同时还可显著提高水泥的抗渗透性。添加本实施例组分缓凝剂后水泥胶结体7天抗折强度由7.32MPa降低至6.89MPa，28天抗折强度由10.04MPa降低至9.72MPa，可见早期抗折强度未明显降低；56天抗折强度由11.42MPa提高至11.56MPa，可见后期抗折强度无影响。添加本实施例组分缓凝剂后水泥胶结体7天抗压强度由43.25MPa降低至40.27MPa，28天抗压强度由64.29MPa降低至60.22MPa，可见早期抗压强度未明显降低；56天抗压强度由68.57MPa，提高至69.38MPa，后期抗压强度无影响。

实施例3

一种缓凝水泥净浆，由P·O 42.5R普通硅酸盐水泥、缓凝剂和水组成，其中，所述缓凝剂掺量为普通硅酸盐水泥质量的6％(其中粉剂A占1％，粉剂B占5％)，所述普通硅酸盐水泥的矿物组成见表1，水泥净浆原材料配合比见表2；

所述水泥净浆的具体制备步骤如下：

S1、按质量份数，将16份粉剂A与96份水混合均匀，在80-100℃的条件下持续加热20～30min，形成溶液A；

S2、将80份粉剂B与80份水混合均匀形成溶液B，加热至60-80℃后与所述溶液A混合，充分搅拌形成溶液C；

S3、所述溶液C中的固含量为34.9％，其中溶液A固含量为11.6％，溶液B固含量为51.2％，故需将402.9份的水加热到60℃后，添加到所述溶液C中，搅拌均匀后制得溶液D；

S4、将1600份P·O 42.5R普通硅酸盐水泥加入到所述溶液D中，搅拌均匀形成水泥净浆。

本实施例的缓凝水泥净浆制备方法，可以将未掺加任何其他缓凝剂的水泥浆初凝时间由110min延长至170min，终凝时间由190min延长至260min，从而显著提高水泥的凝结时间，同时还可显著提高水泥的抗渗透性。添加本实施例组分缓凝剂后水泥胶结体7天抗折强度由7.49MPa降低至7.27MPa，28天抗折强度由10.25MPa降低至10.03MPa，可见早期抗折强度未明显降低；56天抗折强度由11.56MPa提高至11.89MPa，可见后期抗折强度无影响。添加本实施例组分缓凝剂后水泥胶结体7天抗压强度由43.96MPa降低至41.23MPa，28天抗压强度由65.36MPa降低至62.97MPa，可见早期抗压强度未明显降低；56天抗压强度由69.49MPa，提高至69.89MPa，后期抗压强度无影响。

表2水泥净浆原材料配合比

本发明所述缓凝剂的缓凝机理在于，一方面，缓凝剂加入到水泥净浆时，由粉剂A与水结合并加热后发生糊化反应，首先阻碍水泥与水接触，减少了两者的接触面积，其次将未水化的水泥颗粒包裹，从而进一步阻碍水泥水化，进而达到延迟水化的效果，当溶液A因温度降低由糊化到回生的相变过程而失去部分自由水后，水泥与水接触面积增加，未水化的水泥颗粒能够与水进一步接触，又使得水泥能够继续水化，从而延长了水泥的凝结时间；另一方面，通过梅特勒-托利多TGA/DSC综合热分析仪对试样(实施例1)进行TG-DTG测试发现，添加缓凝剂前后28d水泥浆体CH的相对含量从16.29％降低为16.20％，CaCO

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。